【N32G430开发板试用】+可调电源模块设计历程

发表于 2022-8-31 22:59

本帖最后由 lcdi 于 2022-8-31 23:06 编辑

【N32G430开发板试用】+可调电源模块设计历程
@安小芯
@安小芯

电子设计中经常需要不同的电压，所以调压简直是最常见最常需要的部分了。
从需求上来说，大的高性能的有实验室电源，小的有LDO微芯片稳压。但通常电路中的电压变换都是为了满足各种实际需要，比较固定，调节起来需要更换电阻，不是那么方便。

所以就想设计一款可以数控调节的电源板。

目标是低成本高效率，简易，紧凑，数控调节。
刚好遇到N32G430试用活动，这款芯片是国民技术新推的低成本高性能芯片，参数优异，看起来很适合目标应用，所以在此记录设计历程。

设计思路：
可调电源追求低成本高效率，只能是DCDC，为了方便使用，输入输出只要满足一定范围（初始设计为3~20V，较常用的范围），就应该正常使用。那么需要既能降压也能升压才行。
较有优势的是两种结构，sepic和buck-boost。
sepic结构较简单，但是效率也低，要用2个电感，成本高点，中间电容也有要求，当然在微小功率应用中也可以考虑，所以sepic备用。
为了效率考虑，首要选择是4管buck-boost方案，通常是4个NMOS，但是上端的NMOS需要自举升压才能驱动，mcu直驱是不行的，增加了成本和复杂性。所以改成了简化的版本，上端MOS用PMOS，这里就造成一个问题，后面实验中才发现。
为了更为简化设计，先设计为非同步整流，如图：

电感L3上的电流也需要监测，以便控制PWM并做安全保护，大电压上的微小电压差的检测比较难，使用现成的电流放大器是一个选择，但是频宽不够，只有几十k。而PWM设计频率要在100K以上，因此自己设计了2级差分放大器。

但这种放大电路对电阻精度要求较高，不过本设计不需要太精确的测量，可能通过软件测试校准即可适用。

调节方面力求简化，不涉及GUI，只使用串口通讯完成电压电流设置和测量监控。为了方便使用，使用printf方式，不过例程里面只有printf，还需重定义scanf函数，添加fgetc函数即可：

int fgetc(FILE* f)
{uint8_t ch;
while (USART_Flag_Status_Get(USARTx, USART_FLAG_RXDNE) == RESET)
      ;
         ch=USART_Data_Receive(USARTx);
return (ch);
}

这样就可以使用scanf函数接收上位机传来的数据啦。（当然这个函数是阻塞型的，这样设计会造成等待，不过对于本设计主要就是等待上位机的指令，所以尚可。）
（提示：如果程序上有多线程的需要，那么不应该设计需要等待的函数。）

结果：
后续实验中发现PMOS驱动范围太窄，导致输入电压范围不够，不满足要求。因为3401这类管子GS只能承受20V压差（一般MOS管也都是这样的），使用时要留较大余量，否则很容易烧掉，使用时限制为15V以内。不满足要求。并且DCDC需要提高开关频率，GS上的跨接电阻为了快速关断，只能取较小值，但是导通时电流将比较大，MCU的管脚吸入电流不能支持。以上图的数值也难以支持到15V。
如果要改上端为NMOS，需要驱动芯片，这样小mos管就浪费了，选用大电流mos管更能发挥功率提高性能，这样也需要谨慎设计过流保护过压保护，一众电路都变得更为复杂，成本上升。而且完全由mcu软件控制pwm想要实现buck-boost，软件会相当复杂，难度较高。不适合低成本模块的应用。
所以这个方案现在准备放弃了。

设计过程中使用了N32G430芯片的几部分功能。首先是高主频的设计才能够支持高频率的PWM调节，DCDC的PWM频率越高，电感体积和成本越低，电流可以增大。
然后调好串口，调试更为方便，满足本设计需要。PWM部分取例程修改即可。ADC选择TIMTrigger_AutoInjection这个例程修改更好，里面也包含了PWM2路输出，刚好符合需要。整合串口部分即可。
N32G430整体使用起来顺利正常，方便直接，例程也容易学习理解，感受非常棒。

不过因为硬件设计不合适，经过考量和取舍，接下来将改为控制专用buck-boost芯片，经过比对选型，选择SC8721芯片（之前不选择它，一是因为成本高些，二是工作范围没有更大。），有符合目标的电参数性能，较低的成本，完善的保护，设计上应该也比较简单。只需I2C控制即可。内置也有电流放大器。
所以接下来修改设计，新版将推翻前面的软硬件设计重新来过。

sc8721电路：

pcb：

目前待调试，期待能够及时完善，以作为参加立创竞赛的项目~~。

发表于 2022-9-7 20:55

本帖最后由 lcdi 于 2022-9-10 16:28 编辑

续：
调试sc8721的过程：

主要是I2C的调试，过程一波三折，结果都是自己粗心，搞错了地址，写错了参数。修正之后，成功的用串口改变电压。功能打通了。
系统：

开发板配合电源板，接了一个风扇当做负载，比较轻的，6V到14V都能转，再高不敢试了。没有合适的可调负载，后续再做详细些的测试吧。

电源板：

测试图：
为了简单起见，输入固定为4位数字，0900表示9V，1200表示12V。
测量的电压回传上位机，单位是mv，第一个测量值是输入（5V），图形是红色线。第二个测量值为输出电压，图形显示为绿色线。

参考ADC例程用了PA0，PA1，结果都有些偏差，PA0偏差尤其大。调试中发现，不接PA0，分压点电压正确，接上后，电压被拉低了。
~~
首先怀疑是ADC输入电阻小，计算了一番，应该只会有小量影响，不该拉低明显。接着发现PA2，PA3，PA4接上都不会拉低分压点电压。
所以~~检查了开发板电路图发现PA0接了10K电阻到地（为了wakeup），PA1也接了LED。
所以改到PA2，PA3就好了。

测试过程中也发现ADC采集的并不稳定，跳动较大，想来N32G430芯片不应如此，还需测试改进。(经测试,开发板上分压,ADC测量非常稳定,所以可见是电磁环境下接线引入的,用示波器测量纹波也验证了这一点)

代码如下：

I2C_Master.zip (3.11 MB, 下载次数: 13)

发表于 2022-9-9 13:10

大佬这闲时间很多呀，还有时间参加各种比赛！

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